Cell Reports丨李蓬团队开发Imaging Lipolysis方法在单细胞器水平下解析脂滴表面积

脂滴是储存中性脂 以供 细胞活动所需的动态细胞器【1-3】， 其 生成、生长和降解 会根据细胞对能量储存或利用的需求而波动。脂 肪降 解是甘油三 酯 （ triglycerides ， TG ） 水解 成脂肪 酸 的过程 ， 释放的脂肪酸可 进一步被用于产 生 能 量 或 膜脂合成 。 传统上，哺乳动物被认为 至少 有两种功能和形态 相异的脂肪细胞 。具体而言，白色脂肪细胞 以单房大脂滴为特征 ， 主要负责脂质储存； 而棕色脂肪细胞则 包含多个小脂滴，促进脂质利用和热量产生【4】。从功能上讲，细胞 以 单房脂滴 储存脂质 被推测可以通过降低脂滴的总表面积与体积比来 减慢 T G 的降解【5-7】。然而 现有 传统 脂解定量 方法 （如 生化与同位素标记检测【8,9】）仅适用于细胞群水平 检测 ， 无法 识别 不同 脂质存储形式 的 组 织 / 细胞之间脂质储存和利用的异质性，也无 法 剖析 脂解过程的时空动态差异，例 如脂肪酸的脂解和再酯化 过程【5,10】。 另外 ，与在遗传 学、发育生物学和癌症生物学等领域 所开发出 最先进的单细胞技术相比，代谢单细胞或单细胞器技术存在 滞后 发展 的问题 ， 特别是 单细胞 脂 解 新技术 的 开发与调控研究 是一个亟待发展的领域。 也因 细胞异质性和技术限制， 细胞 脂解能力与脂滴形态之间的关系尚不清楚。

2025 年 8 月 8 日， 李蓬 团队在 Cell Reports 期刊上 在线发表了题为 Dissection of surface area-dependent lipolysis at a single organelle level 的 研究 论文 。 该 团队 基于成像技术 开发出一种新 型 的 脂肪细胞脂滴降解 特性 的检测方法 ，称为成像脂解法（ Imaging L ipolysis assay ），该方法能够 在 单颗脂滴分辨率下原位定量单 一 脂肪细胞的动态 脂解 通 量 （ lipolytic flux ）。研究发现 脂滴 的 脂解 通 量 是可变的，由脂滴上脂肪酶可及的 脂滴 表面积 大小 （生物物理） 和脂解酶 活性 （生物 化学 ） 两者 共同决定。进一步 研究 发现 ， 相比于负责脂质储存的白色脂肪细胞，产热型棕色脂肪细胞表现出更高的 脂解 通 量 与 效率。此外， 本研究还 揭示了 脂滴融合相关蛋白 CLSTN3β/CIDE 是通过 增加脂 滴总表面积 与 体积比的 生物物理调节方式来促进脂肪 降解 ，这与众所周知的脂肪酶活性的生化调节方式 是 不同 的 。

鉴于活细胞成像的发展，研究团队首先结合单细胞器的动态几何分析开发 出 Imaging Lipolysis 方法， 该检测 方法 包括四个步骤：细胞制备、活细胞成像、图像分析和生物物理计算（图1A）。 以 3 T3-L1 成熟脂肪细胞为模型 ，并用异丙肾上腺素处理 15 分钟 来 模拟 生理性脂解 ； 采用 低光毒性 明场延时 活细胞成像 追 踪 单 细胞中所有可见的脂滴降解，并随机选择具有明显大小变化的脂滴进行后续的 图像分析 ；如预期地， 脂解刺激后会 观察到 脂滴体积逐渐减小，直 至 当前成像分辨率 （ ~ 0.4 μ m ） 无法 分辨（图1B）。 在 第四步 骤 中 ，基于动态几何分析原理进行了生物物理计算 ， 根据 每颗脂滴的 直径值计算 其 体积 ， 随之 计算每 颗 脂滴体积随时间的变化率 ，将其 定义为 一定 时间间隔内脂滴的 脂解 通量 （ lipolytic flux ， Ø ） 。 通过脂滴脂解 通量与 其 直径 、表面积和体积之间的相关性 分析后发现 ，脂滴 脂解 通量与脂滴的表面积呈线性关系 （图 1 C ） 。 这是第一个表明脂滴表面积决定 脂解通量 （生物物理调节） 的关键实验 证据 。 为此 ， 将线性 关系的导数 定义为一个新的 脂解 指 标 ，称为 脂解效率 （ lipolytic efficiency ， ĸ ） ， 并且此 指 标 被证实 等效于脂解酶活性 （图 1 C ） 。

图 1. （ A ） Imaging Lipolysis 方 法测量 细胞内 脂滴脂解通量 的 工作流程 。 （ B ） 在明场 观察 下，记录脂解激活后细胞中脂滴降解的延时动态图像，红线表示随时间变化的脂滴直径（ n = 6 ，用数字标记）。比例尺， 10 µ m ；（放大） 10 µ m 。（ C ） 左图： 六个脂滴 脂解通量 ( Φ ) 与 其 表面积 ( A ) 的相关性分析 。在（ B ）中，脂滴 从同一个 3 T3-L1 脂肪细胞中捕获。绿色曲线表示（ B ）中红色箭头标记脂滴的脂解通量。右上：脂滴表面积 计算公式 。右下：脂解效率 κ 的 微分方程 计算过程 。

为了验证 Imaging Lipolysis 方法的有效性与 准 确性， 研究团队通过调控脂肪细胞脂解酶活性、表达水平及敲低相关调节因子，并将其检测结果与传统生化方法进行比较。 结果显示脂肪细胞的 脂解效率呈剂量依赖性增 加 ， 且 Imaging Lipolysis 方法 与生化测定 方法 在定量脂解通 量上具有高度一致性。 其次， 研究团队继续通过 敲低 脂解限速酶 PNPLA2 及 其负调节因子 G0S2 进行 检验 ，两种 方法 再次展现 出 高度的 一致性 。 进一步， 研究团队 解析 了 脂滴融合 关键 蛋白 CLSTN3β/CIDE 是如何促进脂解。 结果发现 C idec 敲 低 或 过表达 CLSTN3β 不 会 改变细胞的 脂解效率 （即脂解酶活性） ，也不 会 改变 脂解酶 蛋白表达量， 但可以增加单一细胞内总 脂解 通量， 是通过 增加 脂滴总表面积 与 体积比 （ 生物物理 ） 调节方式来促进脂解 。 进一步的 比较 棕色脂肪组织（ BAT ）和皮下白色脂肪组织（ sWAT ）的原代基质血管细胞（ SVF ）分化而成的脂肪细胞的脂解特性，结果显示棕色脂肪细胞具有更高的脂解通量， 是 源于其更高的脂解效率（ 生物化学 ）与更高的脂滴表面积 与 体积比（生物物理）共同作用的结果 。

综上，这项研究 建立的 Imaging L ipolysis 方法可以在单细胞解 析 水平 下 直接 定量测量 脂解通量和 脂解酶活性相关的 降解效率，并 首次 揭示脂解过程 受 生物化学 （酶活性） 和生物物理学 （脂滴形态） 的双重 机制调控 （图 2 ） 。 除了普遍的脂解定量外， 该 方法 也特别 适用于 解析具有高度异质性、罕见性、基因编辑困难或脂肪酸再酯化活跃等特征的细胞模型中的脂解动态调控机制 。 凭借其单细胞解析能力， Imaging Lipolysis 方 法 有望成为未来深入探究脂解代谢等复杂生物学问题的开创性工具。

图 2 . Imaging L ipolysis 方法揭示脂滴降解 的 生化与生物物理 双 重 调控

复旦大学代谢与整合生物学研究院 马成新 博士 生 为该论文的第一作者，复旦大学代谢与整合生物学研究院 陈丰荣 研究员和 郑州大学 李蓬 院士为共同通讯作者， 清华大学 徐俐 副研究员， 德克萨斯大学休斯敦健康科学中心 杨洪远 教授与复旦大学代谢与整合生物学研究院 赵同金 教授 为 本研究 提供了重要帮助和支持 。

原文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)00871-X

制版人：十一

参考文献

1Walther, T. C., Chung, J., and Jr., R. V. F. (2017) Lipid Droplet Biogenesis.Annu. Rev. Cell Dev. Biol.33, 491-510. https://doi.org/10.1146/annurev-cellbio-100616-060608

2Olzmann, J. A., and Carvalho, P. (2019) Dynamics and functions of lipid droplets.Nat. Rev. Mol. Cell Bio.20, 137-155. https://doi.org/10.1038/s41580-018-0085-z

3Grabner, G. F., Xie, H., Schweiger, M., and Zechner, R. (2021) Lipolysis: cellular mechanisms for lipid mobilization from fat stores.Nat. Metab.3, 1445-1465. https://doi.org/10.1038/s42255-021-00493-6

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5Rambold, A.S., Cohen, S., and Lippincott-Schwartz, J. (2015) Fatty acid trafficking in starved cells: Regulation by lipid droplet lipolysis, autophagy, and mitochondrial fusion dynamics.Dev. Cell32, 678-692. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2015.01.029

6Nishimoto, Y. and Tamori, Y. (2017) CIDE family-mediated unique lipid droplet morphology in white adipose tissue and brown adipose tissue determines the adipocyte energy metabolism.J. Atheroscler. Thromb.24, 989-998. https://doi.org/10.5551/jat.RV17011

7Chen, F. J., Yin, Y., Chua, B. T., and Li, P. (2020) CIDE family proteins control lipid homeostasis and the development of metabolic diseases.Traffic21, 94-105. https://doi.org/10.1111/tra.12717

8Zimmermann, R. et al. (2004) Fat mobilization in adipose tissue is promoted by adipose triglyceride lipase.Science306, 1383-1386. https://doi.org/10.1126/science.1100747

9Lass, A. et al. (2006) Adipose triglyceride lipase-mediated lipolysis of cellular fat stores is activated by CGI-58 and defective in Chanarin-Dorfman Syndrome.Cell Metab.3, 309-319.

10Nguyen, T. B. et al. (2017). DGAT1-dependent lipid droplet biogenesis protects mitochondrial function during starvation-induced autophagy.Dev. Cell42, 9-21. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2017.06.003

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